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調(diào)幅信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)電路（F題）
西安電子科技大學(xué)
傅豐林
2017‐11‐04
一、命題目的
二、方案選擇和論證
三、理論分析與計(jì)算
四、電路與程序設(shè)計(jì)
五、測(cè)試結(jié)果
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2017-12-16 22:04 上傳
一、命題目的
提高通信電路（又稱高頻電子線路、非線性電路 等）工作頻率，2015年200MHz，2017年提高到300MHz以上。盡可能避開通信概念，只要學(xué)過通信電
子線路都能做。
一、任務(wù)
調(diào)幅信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)電路（F題）
【本科組】
設(shè)計(jì)并制作一個(gè)調(diào)幅信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)電路。其結(jié)構(gòu)
框圖如圖1所示。輸入信號(hào)為調(diào)幅度50% 的AM信號(hào)。 其載波頻率為250MHz~300MHz，幅度有效值Virms為
10µV~1mV，調(diào)制頻率為300Hz~ 5kHz。低噪聲放大器的輸入阻抗為50Ω，中頻放大器輸出阻抗
為50Ω，中頻濾波器中心頻率為10.7MHz，基帶放大器 輸出阻抗為600Ω、負(fù)載電阻為600Ω，本振信號(hào)自制。
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2017-12-16 22:00 上傳
圖1 調(diào)幅信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)框圖
二、要求
1．基本要求
（1）中頻濾波器可以采用晶體濾波器或陶瓷濾波 器，其中頻頻率為10.7MHz；
（2）當(dāng)輸入AM信號(hào)的載波頻率為275MHz，調(diào)制 頻率在300Hz ～ 5kHz 范圍內(nèi)任意設(shè)定一個(gè)頻率，Virms=1mV時(shí)，要求解調(diào)輸出信號(hào)為Vorms=1V±0.1V的 調(diào)制頻率的信號(hào)，解調(diào)輸出信號(hào)無明顯失真；
（3）改變輸入信號(hào)載波頻率250MHz~300MHz，步進(jìn)1MHz，并在調(diào)整本振頻率后，可實(shí)現(xiàn)AM信號(hào)的 解調(diào)功能。
2．發(fā)揮部分
（1）當(dāng)輸入AM信號(hào)的載波頻率為275MHz，Virms在10µV~1mV之間變動(dòng)時(shí)，通過自動(dòng)增益控制（AGC）電路（下同），要求輸出信號(hào)Vorms穩(wěn)定在1V±0.1V；
（2）當(dāng)輸入AM信號(hào)的載波頻率為250MHz~300MHz
（本振信號(hào)頻率可變），Virms在10µV~1mV之間變動(dòng)， 調(diào)幅度為50%時(shí)，要求輸出信號(hào)Vorms穩(wěn)定在1V±0.1V；
（3）在輸出信號(hào)Vorms穩(wěn)定在1V±0.1V的前提下，盡 可能降低輸入AM信號(hào)的載波信號(hào)電平；
（4）在輸出信號(hào)Vorms穩(wěn)定在1V±0.1V的前提下，盡 可能擴(kuò)大輸入AM信號(hào)的載波信號(hào)頻率范圍；
（5）其他。
系統(tǒng)由射頻低噪聲放大器、混頻、本振信號(hào)產(chǎn)生、 中頻濾波放大、AM檢波和基帶濾波放大以及自動(dòng)增益控制等組成。
1.射頻低噪聲放大器 采用高穩(wěn)定的固定增益LNA芯片，其噪聲系數(shù)較低，容易級(jí)聯(lián)得到高增益放大器，提高系統(tǒng)靈敏度。
選用噪聲系數(shù)NF=1.3的射頻小信號(hào)放大器TQP3M9008作為前級(jí)放大器，其3dB頻率范圍50MHz～4GHz。
2.混頻器 為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高靈敏度一方需要選擇噪聲系數(shù)小的前端放大器，同時(shí)也需要靈敏度高的混頻器電路。
選用靈敏度較低、噪聲系數(shù)較大的乘法器實(shí)現(xiàn)混 頻。它具有輸入動(dòng)態(tài)范圍寬、電路調(diào)試簡(jiǎn)單，帶寬寬的特點(diǎn)。
3.中頻濾波器和中頻放大器 系統(tǒng)使用OPA847（單位增益帶寬為3.9GHz）電壓反饋運(yùn)放作為中頻放大器，兩級(jí)級(jí)聯(lián)使用，共實(shí)現(xiàn)40dB的中頻增益。滿足系統(tǒng)要求。 中頻濾波器采用晶體濾波器。由于本題AM調(diào)制信號(hào)的基帶頻率最高為5kHz，需要帶寬大于10kHz的濾波器。在10.7MHz頻率上的晶體濾波器可以做到15kHz以上，且Q值非常高，能夠在滿足系統(tǒng)要求的前提下大大提高系統(tǒng)靈敏度。
4.自動(dòng)增益控制 射頻前段AGC+基帶AGC。通過射頻AGC實(shí)現(xiàn)信
號(hào)穩(wěn)定性的粗調(diào)，在利用基帶AGC實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)幅度 的精確控制，既能提高輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，又能提
高輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。
5.檢波解、基帶放大器、帶通濾波器的、自動(dòng)增 益控制等。
系統(tǒng)的框圖如圖1所示。射頻信號(hào)源的輸出信號(hào)，依次經(jīng)過第一級(jí)LNA、衰減器、第二級(jí)LNA、衰減后， 進(jìn)入混頻器，并與自制的本振信號(hào)源進(jìn)行混頻，混頻后的信號(hào)通過10.7MHz的晶體濾波器后，得到10.7MHz的中頻信號(hào)。本系統(tǒng)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行2級(jí)中頻 放大后，再進(jìn)行能量檢測(cè)和AM檢波。AM檢波后的信號(hào)，通過300Hz～5kHz的帶通濾波器、基帶AGC電路 后，在600歐姆負(fù)載得到1V±0.1V有效值的基帶信號(hào)。
系統(tǒng)采用兩塊微處理器，MCU1完成該射頻AGC功能，它根據(jù)有效值檢測(cè)電路的輸出，控制射頻前段 的程控衰減器，使中頻放大器輸出信號(hào)幅度能穩(wěn)定在
200mV±1dB內(nèi)。MCU2完成本振信號(hào)產(chǎn)生功能，它根據(jù)輸入的指令，產(chǎn)生所需要的射頻信號(hào)頻率。
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2017-12-16 22:01 上傳
圖1 系統(tǒng)框圖
1.低噪聲放大器的設(shè)計(jì) 接收機(jī)靈敏度計(jì)算放大器的噪聲系數(shù)NF越低，系統(tǒng)的靈敏度就越高。系統(tǒng)選用噪聲系數(shù)NF=1.3的射頻小信號(hào)放大器
TQP3M9008作為前級(jí)放大器，其3dB頻率范圍50MHz~4GHz。 考慮到發(fā)揮部分的要求，設(shè)系統(tǒng)最小輸入信號(hào)為1μV（對(duì)應(yīng)-107dBm）。經(jīng)過測(cè)試，獲知乘法器的 輸入信號(hào)需要 -65dBm，故前級(jí)需要42dB以上增益。為此，設(shè)計(jì)兩級(jí)LNA，每集增益為23dB，最大可以提供46dB增益。
2.中頻濾波器和中頻放大器的設(shè)計(jì) 中頻載波信號(hào)頻率為10.7MHz，，根據(jù)AM信號(hào)
的最高基帶信號(hào)頻率為5kHz可得中頻帶寬需要大于10kHz。考慮到中頻濾波的帶外衰減能力和Q值，對(duì) 靈敏度的影響很大，我們選擇性能較好的帶寬為
15kHz，中心頻率為10.7MHz的晶體濾波器完成中頻 濾波功能。考慮到晶體濾波器的輸入輸出阻抗為3000歐姆，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了阻抗匹配電路，完成其與后級(jí)50歐姆輸 入阻抗的放大器的阻抗匹配。
混頻器提供了8dB增益，加上LNA的46dB 增益，此處可獲得54dB增益。考慮到AM檢波電路的最佳工作 點(diǎn)大于－15dBm，在輸入為1μV（－107dBm）下，還需要中頻提供38dB增益。 系統(tǒng)使用OPA847（單位增益帶寬為3.9GHz）電
壓反饋運(yùn)放作為中頻放大器，兩級(jí)級(jí)聯(lián)使用，共實(shí)現(xiàn)40dB的中頻增益。滿足系統(tǒng)要求。
3.混頻器的設(shè)計(jì) 混頻器采用AD831實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測(cè)試，其輸入信號(hào)范圍-65dBm~8dBm，最高混頻頻率可達(dá)1.5GHz。它在 輸入信號(hào)小于0dBm時(shí)，失真度較小。通過LNA及射頻前端的程控衰減器，保證了輸入給AD831的信號(hào)滿
足要求，同時(shí)所設(shè)計(jì)的本振的輸出幅度設(shè)定為－10dBm，保證混頻器工作于最佳狀態(tài)。
4.ADF4351本振電路 本振采用ADF4351實(shí)現(xiàn)（自動(dòng)掃頻功能測(cè)試：
設(shè)定載波頻率，開啟自動(dòng)掃頻功能）
5.基帶放大器電路設(shè)計(jì) 按照題目要求基帶信號(hào)的頻率范圍為300Hz~5kHz,為得到比較純凈的基帶信號(hào)，將其經(jīng)過音頻運(yùn)放放大后通過四階帶通濾波器（通頻帶為250Hz~7kHz），帶內(nèi)信號(hào)得到放大的同時(shí)，衰減了帶外的雜散頻率干擾，可使得系統(tǒng)的靈敏度進(jìn)一步提高。同時(shí)基帶信號(hào)通過由AD603構(gòu)成的自動(dòng)增益控 制(AGC)電路最后輸出電壓穩(wěn)定在1Vrms±0.1V的幅 度范圍內(nèi)。
6.程控增益設(shè)計(jì) 考慮到拓展部分，輸入信號(hào)變化范圍為1μV（ －107dBm）~1mV（ － 47dBm），動(dòng)態(tài)范圍為60dB。 通過兩級(jí)HMC470串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)最大63dB的衰減，可滿足要求。射頻信號(hào)部分的程控增益由單片機(jī)，程控衰減 器，功率檢測(cè)芯片三者組成閉環(huán)控制。程控衰減器插在兩級(jí)低噪聲放大器之間。功率檢測(cè)芯片檢測(cè)中
頻輸出的信號(hào)功率值，將其與設(shè)定的信號(hào)功率閾值 電壓進(jìn)行比較，若超出閾值，則單片機(jī)控制衰減器
衰減信號(hào)功率。否則減小衰減器的衰減值，以此達(dá) 到對(duì)前段高頻部分的程控增益的閉環(huán)控制。
1.低噪聲放大電路
采用TQP3M9008實(shí)現(xiàn)，增益為23dB。
2.混頻器及中頻濾波電路
混頻器采用AD831實(shí)現(xiàn)，濾波器采用10.7MHz晶 體濾波器實(shí)現(xiàn)。
3.本振電路
4.中頻放大及有效值檢測(cè)電路 系統(tǒng)使用OPA847（單位增益帶寬為3.9GHz）電
壓反饋運(yùn)放作為中頻放大器，兩級(jí)級(jí)聯(lián)使用，共實(shí)現(xiàn)
5.基帶AGC電路
6.基帶帶通濾波器
采用8階有源帶通濾波器，實(shí)現(xiàn)300Hz~5kHz帶通 濾波器，濾除帶外信號(hào)。
7.系統(tǒng)電源：
由于系統(tǒng)高頻信號(hào)鏈路和低頻信號(hào)鏈路同時(shí)存在， 所以對(duì)于電源的要求較高。系統(tǒng)采用高性能低紋波大
功率線性穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)整體供電。系統(tǒng)高放部分為 采用單電源5V供電，中頻及檢波電路采用±5V雙電
源供電。使用電荷泵電路產(chǎn)生－5V電壓源。各模塊電
路并通過LC濾波，接入電源。單片機(jī)數(shù)字地與前端模 擬地相互隔離。各模塊電路在電源接口處增加鉭電容
和鋁電解電容的去耦回路。
8.程序設(shè)計(jì) 為更高效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，系統(tǒng)采用兩塊STM32
單片機(jī)完成整體控制，各功能如下：
MCU1：負(fù)責(zé)前級(jí)自動(dòng)增益控制。
MCU2：負(fù)責(zé)本振源鎖相環(huán)輸出頻率及幅度控制。
四、電路與程序設(shè)計(jì)
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測(cè)試結(jié)果
在保證輸出為1V±0.1V有效值的基帶信號(hào)下，最小輸入AM調(diào)制信號(hào)的幅度為0.7μV，最低頻率為50MHz， 最高頻率為1.3GHz。
結(jié)語
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